数据库系统工程师教程（第4版）

数据库系统工程师教程（第4版）依据2020年审定通过的考试大纲编写，是计算机软件考试中数据库系统工程师岗位的考试用书，是考生备考的重要学习资料。

数据库系统工程师教程（第4版）作为全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试的中级职称考试的指定教材，具有比较权威的指导意义。数据库系统工程师教程（第4版）根据《数据库系统工程师考试大纲》（2020年审定通过）的重点，阐述了16章的内容，考生在学习教材内容的同时，还须对照考试大纲认真学习和复习大纲的知识点。 数据库系统工程师教程（第4版）是在《数据库系统工程师考试大纲》的指导下，对《数据库系统工程师教程》（第3版）进行了认真修编，部分内容重写而成。 数据库系统工程师教程（第4版）适合参加本考试的考生和大学在校生作为教材。

第1章  计算机系统知识 1
1.1  计算机硬件基础知识 1
1.1.1  中央处理单元 1
1.1.2  存储器 4
1.1.3  总线 7
1.1.4  输入输出控制 10
1.2  计算机体系结构 14
1.2.1  CISC和RISC 15
1.2.2  流水线技术 16
1.2.3  阵列处理机、并行处理机和多处理机 19
1.3  存储系统 20
1.3.1  高速缓存 21
1.3.2  虚拟存储器 24
1.3.3  相联存储器 25
1.3.4  磁盘阵列技术 25
1.3.5  存储域网络 26
1.4  安全性、可靠性与系统性能评测基础知识 26
1.4.1  计算机安全概述 26
1.4.2  加密技术和认证技术 28
1.4.3  计算机可靠性 35
1.4.4  计算机系统的性能评价 38
第2章  程序语言基础知识 42
2.1  程序语言概述 42
2.1.1  程序语言的基本概念 42
2.1.2  程序语言的基本成分 46
2.2  程序语言翻译基础 52
2.2.1  汇编程序基本原理 52
2.2.2  编译程序基本原理 54
2.2.3  解释程序基本原理 73
　　
第3章  数据结构与算法 76
3.1  线性结构 76
3.1.1  线性表 76
3.1.2  栈和队列 80
3.1.3  串 84
3.2  数组和矩阵 87
3.3  树和图 90
3.3.1  树 90
3.3.2  图 97
3.4  常用算法 102
3.4.1  算法概述 102
3.4.2  排序 105
3.4.3  查找 112
3.4.4  递归算法 122
3.4.5  图的相关算法 123
第4章  操作系统基础 128
4.1  操作系统概述 128
4.1.1  基本概念 128
4.1.2  操作系统分类 129
4.1.3  操作系统的发展 131
4.2  进程管理 131
4.2.1  基本概念 132
4.2.2  进程的控制 135
4.2.3  进程间的通信 135
4.2.4  管程 139
4.2.5  进程调度 139
4.2.6  死锁 140
4.2.7  线程 144
4.3  存储管理 145
4.3.1  基本概念 145
4.3.2  存储管理方案 146
4.3.3  分页存储管理 147
4.3.4  分段存储管理 148
4.3.5  段页式存储管理 150
4.3.6  虚拟存储管理 151
4.4  设备管理 155
4.4.1  概述 155
4.4.2  I/O软件 156
4.4.3  设备管理采用的相关技术 157
4.4.4  磁盘调度 160
4.5  文件管理 162
4.5.1  基本概念 163
4.5.2  文件的结构和组织 164
4.5.3  文件目录 165
4.5.4  存取方法和存储空间的管理 166
4.5.5  文件的使用 168
4.5.6  文件的共享和保护 168
4.5.7  系统的安全与可靠性 169
4.6  作业管理 170
4.6.1  基本概念 170
4.6.2  作业调度 172
4.6.3  用户界面 173
第5章  网络基础知识 174
5.1  计算机网络概述 174
5.1.1  计算机网络的概念 174
5.1.2  计算机网络的分类 177
5.1.3  网络的拓扑结构 179
5.2  网络硬件基础 180
5.2.1  网络设备 180
5.2.2  网络传输介质 183
5.3  网络的协议与标准 185
5.3.1  网络的标准 185
5.3.2  局域网协议 186
5.3.3  广域网协议 190
5.3.4  TCP/IP协议簇 192
5.4  Internet基础知识 197
5.4.1  Internet概述 197
5.4.2  Internet地址 198
5.4.3  Internet服务 205
5.5  信息安全基础知识 210
5.6  网络安全概述 214
第6章  数据库技术基础 222
6.1  基本概念 222
6.1.1  数据库与数据库管理系统 222
6.1.2  数据库技术的发展 224
6.1.3  DBMS的功能和特点 226
6.1.4  数据库系统的体系结构 228
6.1.5  数据库系统的三级模式结构 230
6.2  数据模型 233
6.2.1  数据模型的基本概念 233
6.2.2  数据模型的三要素 234
6.2.3  E-R模型 234
6.2.4  基本的数据模型 241
6.3  数据存储和查询 245
6.3.1  存储管理器 245
6.3.2  查询处理器 246
6.4  数据仓库和数据挖掘基础知识 246
6.4.1  数据仓库 246
6.4.2  数据挖掘 250
第7章  关系数据库 254
7.1  关系数据库概述 254
7.1.1  基础知识 254
7.1.2  关系数据库模式 257
7.1.3  关系的完整性约束 257
7.2  关系运算 258
7.2.1  关系代数运算 258
7.2.2  五种基本的关系代数运算 259
7.2.3  扩展的关系运算 260
7.3  元组演算 270
7.3.1  原子公式 270
7.3.2  公式的定义 270
7.3.3  关系代数运算转换为元组演算表达式 271
7.4  域演算 273
7.4.1  原子公式 274
7.4.2  公式的定义 274
7.4.3  举例 274
7.5  查询优化 275
7.5.1  基本概念 275
7.5.2  关系代数表达式中的查询优化 275
7.6  关系数据库设计基础理论 279
7.6.1  基础知识 279
7.6.2  规范化 281
7.6.3  Armstrong公理系统 285
7.6.4  模式分解及分解后的特性 287
第8章  SQL语言 294
8.1  数据库语言 294
8.1.1  数据库语言概述 294
8.1.2  数据库语言的分类 295
8.2  SQL概述 295
8.2.1  SQL语句的特征 295
8.2.2  SQL的基本组成 296
8.3  数据库定义 297
8.3.1  基本域类型 297
8.3.2  创建表 (CREATE TABLE) 297
8.3.3  修改表和删除表 298
8.3.4  创建和删除索引 299
8.3.5  视图创建和删除 300
8.4  数据操作 301
8.4.1  Select基本结构 302
8.4.2  简单查询 302
8.4.3  连接查询 303
8.4.4  子查询与聚集函数 303
8.4.5  分组查询 305
8.4.6  更名操作 306
8.4.7  字符串操作 307
8.4.8  集合操作 307
8.4.9  视图查询与更新 309
8.5  完整性约束 311
8.5.1  主键（Primary Key）约束 311
8.5.2  外键（Foreign Key）约束 312
8.5.3  属性值上的约束 313
8.5.4  全局约束 313
8.6  授权（GRANT）与销权（REVOKE） 314
8.7  创建与删除触发器 316
8.7.1  概述 316
8.7.2  创建触发器 317
8.7.3  更改和删除触发器 319
8.8  嵌入式SQL 320
8.8.1  SQL与宿主语言接口 320
8.8.2  动态SQL 323
8.9  SQL-99所支持的对象关系模型 323
8.9.1  嵌套关系 323
8.9.2  复杂类型 326
8.9.3  继承 329
8.9.4  引用类型 332
8.9.5  与复杂类型有关的查询 332
8.9.6  函数和过程 335
第9章  非关系型数据库NoSQL 341
9.1  NoSQL概述 341
9.2  相关理论基础 342
9.2.1  一致性 342
9.2.2  分区 344
9.2.3  存储分布 344
9.2.4  查询模型 347
9.3  NoSQL数据库的种类 349
9.3.1  文档存储 350
9.3.2  键值存储 355
9.3.3  列存储 362
9.3.4  图存储 365
9.3.5  其他存储模式 367
9.4  NoSQL应用案例与新技术 369
9.4.1  HBase数据库 369
9.4.2  云数据库GeminiDB 371
　　
第10章  系统开发和运行知识 373
10.1  软件工程基础知识 373
10.1.1  软件生存周期 373
10.1.2  软件生存周期模型 375
10.1.3  典型的软件开发方法 378
10.1.4  软件项目管理 379
10.2  系统分析基础知识 384
10.2.1  系统分析概述 385
10.2.2  需求分析 385
10.2.3  结构化分析方法 386
10.2.4  面向对象分析方法 392
10.3  系统设计基础知识 403
10.3.1  系统设计内容和步骤 403
10.3.2  系统设计的基本原理 405
10.3.3  结构化设计方法 407
10.3.4  面向对象设计方法 409
10.4  系统测试基础知识 410
10.4.1  系统测试的概念 410
10.4.2  软件测试策略 411
10.4.3  软件测试方法 415
10.5  系统运行与维护基础知识 418
10.5.1  系统维护概述 418
10.5.2  系统评价 420
10.6  软件开发方法新进展 421
10.6.1  面向方面的方法 421
10.6.2  软件复用与构件化方法 421
10.6.3  服务化方法 423
第11章  数据库设计 424
11.1  数据库设计概述 424
11.1.1  数据库应用系统的生命期 424
11.1.2  数据库设计的一般策略 425
11.1.3  数据库设计的基本步骤 425
11.2  系统需求分析 426
11.2.1  需求分析的任务、方法和目标 426
11.2.2  需求分析阶段的文档 427
11.2.3  案例分析 428
11.3  概念结构设计 430
11.3.1  概念结构设计策略与方法 430
11.3.2  用E-R方法建立概念模型 431
11.4  逻辑结构设计 433
11.4.1  E-R图向关系模式的转换 433
11.4.2  关系模式的规范化 434
11.4.3  确定完整性约束 434
11.4.4  用户视图的确定 435
11.4.5  应用程序设计 435
11.5  数据库的物理设计 437
11.5.1  数据库物理设计工作过程 437
11.5.2  数据库物理设计工作步骤 437
11.6  数据库系统的实施阶段 439
11.7  数据库运行维护与管理 442
11.7.1  制订数据库系统的运行计划 442
11.7.2  数据库系统的运行和维护 443
11.7.3  数据库系统的管理 446
11.7.4  性能调整 448
11.7.5  用户支持 449
第12章  事务管理 451
12.1  事务的基本概念 451
12.1.1  事务 451
12.1.2  事务的特性 452
12.1.3  事务的状态 453
12.2  数据库的并发控制 455
12.2.1  事务调度 455
12.2.2  并发操作带来的问题 458
12.2.3  并发调度的可串行性 459
12.2.4  并发控制技术 461
12.2.5  两段锁协议 462
12.2.6  多粒度封锁协议 463
12.2.7  案例分析 465
12.3  数据库的备份与恢复 467
12.3.1  数据库系统故障种类 467
12.3.2  数据库备份 468
12.3.3  数据库恢复 469
12.4  数据库的安全性与完整性 470
12.4.1  数据库的安全性 470
12.4.2  数据库的完整性 475
第13章  云计算与大数据处理 476
13.1  云计算基础知识 476
13.1.1  云计算的关键特征 476
13.1.2  云计算分类 478
13.1.3  云关键技术 479
13.1.4  云计算实施 483
13.1.5  云计算的安全性 486
13.2  大数据处理基础知识 489
13.2.1  基本概念 489
13.2.2  大数据处理技术 490
13.2.3  大数据应用 496
第14章  数据库主流应用技术 499
14.1  分布式数据库 499
14.1.1  分布式数据库基本概念 500
14.1.2  分布式数据库的体系结构 503
14.1.3  分布式查询处理和优化 511
14.1.4  分布事务管理 512
14.1.5  新型分布式海量数据库 519
14.2  Web与数据库 520
14.2.1  Web概述 520
14.2.2  Web服务器脚本程序与服务器的接口 521
14.2.3  CGI的应用 522
14.2.4  ASP的应用 523
14.2.5  Servlet和JSP的应用 525
14.3  XML与数据库 526
14.3.1  什么是XML 526
14.3.2  XML的文件存储面临的问题 527
14.3.3  XML与数据库的数据转换 528
14.4  面向对象数据库 531
14.4.1  面向对象数据库系统的特征 533　　
14.4.2  面向对象数据模型 534
14.4.3  面向对象数据库语言 538
14.4.4  对象关系数据库系统 539
14.5  大数据与数据库 545
14.5.1  大数据之数据仓库设计 546
14.5.2  数据转移技术 549
14.5.3  数据仓库主要应用场景——联机分析处理（OLAP） 552
14.5.4  数据库主要应用场景——联机事务处理（OLTP） 556
14.6  NewSQL数据库 558
14.6.1  NewSQL数据库的发展 558
14.6.2  TiDB的介绍 559
第15章  标准化和知识产权基础知识 562
15.1  标准化基础知识 562
15.1.1  标准化的基本概念 562
15.1.2  信息技术标准化 565
15.1.3  标准化组织 567
15.1.4  ISO 9000标准简介 569
15.1.5  能力成熟度模型简介 570
15.2  知识产权基础知识 571
15.2.1  知识产权基本概念 571
15.2.2  计算机软件著作权 573
15.2.3  计算机软件的商业秘密权 584
15.2.4  专利权概述 586
第16章  数据库设计与案例分析 592
16.1  SQL应用案例 592
16.1.1  SQL应用案例一 592
16.1.2  SQL应用案例二 596
16.2  数据库设计应用案例 599
16.2.1  足球联赛信息管理系统 599
16.2.2  孵化基地管理信息系统 601
16.2.3  小区停车位管理信息系统 604

全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试实施至今已经历了二十余年，在社会上产生了很大的影响，对我国软件产业的形成和发展做出了重要的贡献。为了适应我国计算机信息技术发展的需求，人力资源和社会保障部、工业和信息化部决定将考试的级别拓展到计算机信息技术行业的各个方面，以满足社会上对各种计算机信息技术人才的需要。
编者受全国计算机专业技术资格考试办公室的委托，对《数据库系统工程师教程》（第3版）一书进行修订，以适应新的考试大纲要求。在考试大纲中，要求考生掌握的知识面很广，每个章节的内容都能构成相关领域的一门课程，因此编写的难度很高。考虑到参加考试的人员已有一定的基础，所以本书中只对考试大纲中所涉及的知识领域的要点加以阐述，但由于篇幅所限，不能详细地展开，请读者谅解。
全书共分16章，各章节内容安排如下：
第1章主要介绍计算机硬件基础知识、计算机体系结构、存储系统以及安全性、可靠性和系统性能评测基础知识。
第2章主要介绍程序设计语言的基本概念与基本成分，阐述了汇编程序、编译程序与解释程序的基本原理。
第3章主要介绍数据结构中的线性结构、数组、矩阵、树和图的基本概念，阐述了查找和排序的基本方法和算法以及算法设计与分析的基本概念等。
第4章主要介绍操作系统中的进程管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理以及网络与嵌入式操作系统基础知识。
第5章主要介绍网络体系结构、网络互联硬件、网络协议与标准、Internet应用以及网络安全知识。
第6章主要介绍数据库系统的基本概念、数据模型、数据存储与查询、数据仓库与数据挖掘基础知识。
第7章主要介绍关系数据库基本概念、关系运算、元组演算、域演算、查询优化以及关系数据库设计基础理论。
第8章主要介绍SQL的功能与特点、SQL数据定义语言（表、视图、索引、约束）、 SQL数据操作语言（数据检索、数据插入/删除/更新）、创建与删除触发器、SQL数据控制语言（安全性和授权、事务处理）以及嵌入式SQL。
第9章主要介绍NoSQL的功能与特点。
第10章主要介绍软件工程基础知识、面向对象的基本概念、面向对象程序设计与开发技术，讨论了面向对象分析与设计方法，介绍了软件系统设计、测试和运行维护方面的知识。
第11章主要介绍数据库应用系统设计过程涉及的内容，包括概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库系统实施、数据库运行维护与管理、性能调整以及用户支持。
第12章主要介绍事务的基本概念、并发控制和封锁协议、数据库备份与恢复、数据库的安全性与完整性。
第13章主要介绍云计算技术与大数据处理方面的基础知识。
第14章主要介绍数据库主流应用技术，如分布式数据库基本概念与应用、网络环境下数据库系统的设计与实施、面向Web的数据库管理系统技术以及数据库系统的发展趋势。
第15章主要介绍标准化与知识产权基础知识。
第16章主要介绍数据库应用案例，重点介绍SQL应用案例和数据库设计应用案例。
本书第1～3章由张淑平编写，第4章由王亚平编写，第5章由严体华编写，第6章由景为、王亚平编写，第7章、第8章由王亚平编写，第9章由高海昌编写，第10章由褚华编写，第11章、第12章由王亚平编写，第13章由刘伟编写，第14章由高海昌编写，第15章由景为、刘强编写，第16章由刘伟编写，后由王亚平统稿。
在本书的编写过程中，参考了许多相关的书籍和资料，编者在此对这些参考文献的作者表示感谢。同时感谢清华大学出版社在本书出版过程中所给予的支持和帮助。
因作者的水平有限，书中难免存在错漏和不妥之处，望读者指正，以利改进和提高。

编者
2020年10月